超标量处理器中的分支预测实现

本文主要是介绍超标量处理器中的分支预测实现，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

超标量的分支预测与标量分支预测的不同点：
- 在取指令时给出一个地址，会从 I-Cache 中取出多条指令，这些取出的指令组成了一个指令组(fetch group)；
- 处理器会自动根据指令组中的指令个数，调整取指令的地址，用来进行下个周期的取指令。
- 因此超标量处理器中的取指令地址并不是连续的,每次增加的值等于指令组的字长，送入到I-Cache中取指令的地址其实只是指令组中第一条指令的地址而已。
- 如果此时仍旧只是使用取指令时的地址(也就是PC值)进行分支预测，那么就相当于只是对指令组中的第一条指令进行了分支预测,而指令组中后面的指令根本就没有顾及到，使超标量处理器无法从分支预测中获得太大的好处。
解决方式之一：对取指令进行限制；以4-way超标量处理器为例；
- 约束每次取指令位于4B对齐的边界内，此时可以使用PC[31:4]来寻址分支预测器；
- 分支预测器中，记录这4条指令中，第一个分支指令的信息即可；因为大部分情况下，每个4B对齐的四条指令中，最多也就存在一条分支指令；
- 此时还需要在分支预测器中，记录分支指令的位置，防止错误使用；
  - 如下图所示，在如下的4B对齐的指令中，此时取指令的PC值位于branch之后，那么这个pc就不应该使用分支指令的预测信息
  - 要想知道该信息，就需要在BTB中，记录分支指令的偏移值；
解决方式之二：不进行限制，全部进行分支预测；
- 此时没有对齐限制，需要对所有的指令，进行分支预测；
- 第一个预测跳转的分支指令的目标地址，作为下一个周期取指令的地址；
- 取指令阶段使用的 PC 值只给出了指令组中第一条指令的 PC 值，需要使用三个加法器来实现 PC+4、PC+8 和 PC+12 的功能；
- 由于对目标地址的预测来说,需要在一个周期内提供四个PC值对应的目标地址,这就相当于需要BTB支持四个读端口，即使可以采用交叠(interleaving)的方式来避免真正的多端口，但是考虑到在使用过程中,最多只会使用其中的一个端口的值,所以这种方式对于硬件的利用效率是很低的。
其他方式：

进入icache之前，预解码，这样取出来之后，马上就可以识别出分支指令，快速计算出跳转目标地址；当然，如果是return类型的指令，这种方式不行；
不一定在一个周期得到分支预测结果，可以这样做, 降低设计复杂度：
1. 方向预测和目标地址预测串行，在方向预测完成后，再利用其结果信息进行目标地址的预测，可以避免对BTB部件的多端口需求；